CN102851471A - 低碳合金钢快速获得细小铁素体晶粒的热处理方法 - Google Patents

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李洋
周莹
冯建伟
方海军
叶鹏丽
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Abstract

本发明公开了一种利用形变诱导铁素体相变机理使低碳合金钢快速获得细小铁素体晶粒的热处理方法。该方法包括如下步骤：a、将退火态的低碳合金钢加热到950～1000℃，保温20～40分钟；b、利用锻打的方式对步骤a处理后的低碳合金钢进行热形变处理，控制压缩比不小于3；c、将热形变处理后的低碳合金钢放置在空气中静置30～50秒，然后放到冷却水中充分冷却。本发明可将退火态粗大的铁素体+珠光体转化成以铁素体为主的等轴细小均匀的组织，晶粒小于5μm，既保证低碳合金钢具有较高的强度，还具有良好的韧性，从而提高其综合机械性能。本发明方法操作简单，生产成本低，具有良好的应用前景。

Description

低碳合金钢快速获得细小铁素体晶粒的热处理方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种利用形变诱导铁素体相变机理使低碳合金钢快速获得细小铁素体晶粒的热处理方法。
背景技术
钢铁材料对社会现代化建设起着重要作用，新一代钢铁材料的基本特征是晶粒超细、高洁净、高均匀。晶粒的大小直接影响金属的机械性能，而细化晶粒是提高金属强度与塑性的唯一方法，细化晶粒的方法很多，其中的方法之一就是形变诱导铁素体相变（DeformationInduced ferrite transformation，简称DIFT）。引起铁素体相变的本质是变形导致的自由能升高和奥氏体形核地点的增多，因此该理论是奥氏体向铁素体的组织变化和铁素体晶粒的细化的结合。影响形变的因素除了应变之外，还包括应变速率、温度、变形方式等。
传统对低碳钢或低碳合金钢进行细化晶粒的途径是利用TMCP（ThermoMechanicalControlProcess即热机械控制工艺）技术，也就是在热轧过程中，在控制加热温度、轧制温度和压下量的控制轧制的基础上，再实施空冷或控制冷却及加速冷却。TMCP工艺周期长，成本高，需要严格控制许多工艺参数才能实现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种操作简单、成本低廉的使低碳合金钢快速获得细小铁素体晶粒的热处理方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：低碳合金钢快速获得细小铁素体晶粒的热处理方法，包括如下步骤：
a、将退火态（即软态，是在适当的温度下，让金属材料保温一定的时间，消除金属内应力，使金属材料从硬态转化为软态）的低碳合金钢加热到950～1000℃，保温20～40分钟；
b、利用锻打的方式对步骤a处理后的低碳合金钢进行热形变处理，控制压缩比（试样的原始高度Ho除以试样形变后的最终高度Hf:即Ho/Hf）不小于3；
c、将热形变处理后的低碳合金钢放置在空气中静置30～50秒，然后放到冷却水中充分冷却。
其中，上述方法步骤a中低碳合金钢加热到950～1000℃后的保温时间为25～35分钟。
其中，上述方法步骤b中控制压缩比在3～4之间。
其中，上述方法步骤c中低碳合金钢在空气中进行静置的时间为35～45秒。
其中，上述方法步骤c中所述冷却水为流动状态的冷却水。
本发明的有益效果是：本发明利用形变诱导铁素体相变的机理，即热形变+弛豫（在空气中静置）+快速冷却的工艺可将低碳合金钢晶粒进行有效的细化，可将退火态粗大的铁素体+珠光体（F+P）转化成以铁素体为主的等轴细小均匀的组织，晶粒小于5μm，既保证低碳合金钢具有较高的强度，还具有良好的韧性，从而提高其综合机械性能。本发明利用形变诱导铁素体相变机理使低碳合金钢快速获得细小铁素体晶粒的热处理方法操作简单，设备投资低，生产成本低，具有良好的应用前景，为获得形变诱导铁素体相变组织开辟了一条新的途径。
附图说明
图1为本发明形变诱导相变后试样的横截面放大500倍的金相显微组织图；白色的为均匀等轴的细粒状铁素体，深色的为部分珠光体组织。
图2为退火态试样的横截面放大500倍的金相显微组织图；白色的为粗大的铁素体组织，深色的为层片状珠光体组织。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明低碳合金钢快速获得细小铁素体晶粒的热处理方法，包括如下步骤：
a、将退火态的低碳合金钢加热到950～1000℃，保温25～35分钟。
形变诱导铁素体相变的起始组织是奥氏体态，奥氏体晶界是一种缺陷，可以提供形核驱动力，因此铁素体的形核地点优先在奥氏体晶界位置，而奥氏体的晶粒尺寸的降低，可使相同应变量下铁素体的转变量增加，有利于形变诱导铁素体的发生，另一方面，奥氏体晶界数量就相应增加，对铁素体相变就越有利，奥氏体晶粒大小控制的直接影响因素是温度，为了不让奥氏体晶粒过于粗大，同时为有利于热形变，将加热的温度控制在950～1000℃，同时保温25～35分钟，使奥氏体充分均匀化。
b、利用锻打的方式对步骤a处理后的低碳合金钢进行热形变处理，控制压缩比在3～4之间。
利用奥氏体化的低碳合金钢进行形变热处理时，会引起奥氏体发生强烈的扭曲变形，从而导致位错密度的急剧增大，变形储能升高，同时，形变诱导铁素体相变的发生需要一临界应变量，临界应变量与变形条件和钢的化学成分有关，当超过临界应变量的变形，铁素体形核位置开始从临界形核逐步向晶内形核过渡，铁素体晶粒的数量和铁素体转变量相应的增加，因此本发明采用大的形变量，即控制压缩比不小于3，优选在3～4之间。
c、将热形变处理后的低碳合金钢放置在空气中静置35～45秒，然后放到冷却水中充分冷却。
相关研究表明，形变诱导铁素体相变一般包含三个阶段，即具有较低形核率的转变初期，具有较高形核率的转变中期以及较低形核率的转变后期。热形变结束后采取弛豫的手段是为了在形变诱导铁素体过程中，待奥氏体晶界被消耗完毕后，形核位置开始由晶界向晶界两侧扩展，同时在晶内会形成大量变形带，为铁素体提供了新的丰富的形核地点，从而加速形变诱导铁素体相变，采取流动的冷却水快速冷却是为了有效地保留获得的形变诱导铁素体晶粒，同时有效防止铁素体晶粒粗化。
最后，形变诱导相变获得的组织以均匀细小的铁素体为主，还有一定量的珠光体及马氏体组织，可以利用国标《金属平均晶粒度测定方法》(GBT6394-2002)测算出铁素体晶粒度大小。而退火态原始组织是由珠光体与铁素体组成的混合组织，通过硬度测试并利用硬度-强度转化表间接获得上述两种组态的强度值，比较强度的变化，从而提供比较可信的强度性能数据。
下面通过实施例对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但并不因此将本发明的保护范围限制在实施之中。
实施例一
相变诱导铁素体相变是主要利用形变奥氏体向铁素体的转变完成，该转变是在温度过冷与形变的双重条件下进行，温控及形变对奥氏体→铁素体相变的热力学、动力学过程均具有强烈的影响，它们直接影响相变组织演变及控制、实现铁素体晶粒细化。一般认为，碳、锰含量的增加均不利于形变诱导铁素体相变的进行，尤其是碳对降低Ac3(亚共析钢加热时铁素体全部消失的最低温度)的作用极大，从而直接影响形变诱导铁素体相变效果，因此一般低碳或超低碳的碳钢或合金钢才能实现较好的诱导铁素体相变。这些材料包括20钢、A3钢、15Mn、20CrV、20Cr、20CrMnTi等，本实例以20CrMnTi为例，介绍实现利用形变诱导铁素体相变实验铁素体细化过程。
①将若干退火态试样放入型号为RT2-65-9的加热炉内进行加热，温度为950-1000℃，保温30min，取出，竖直放置，用载荷为0.5T的锻锤沿平行试样轴线方向进行反复锻打，直至试样压缩比为3.1。
②热形变结束后进行空气中停留，并启动秒表记录不同的停留时间，时间间隔为10s，然后将试样放入流动的冷却水中进行快速冷却。
③将经过处理的不同试样用线切割进行切割，取其中一半制成合格金相试样，观察金相组织，其中空气中停留40s后快速冷却的试样观察到形变诱导铁素体相变组织，见图1。
④利用国标《金属平均晶粒度测定方法》(GBT6394-2002)测定得到铁素体平均晶粒大小为3.4μm，利用布氏硬度计测得其硬度为HB313，换算成抗拉强度为1070MPa，而退火态（供货态）硬度为211，换算成抗拉强度为724Mpa，因此强度提高了32.3%，由于形变诱导相变的主要是均匀细小的铁素体，而铁素体本身就具有良好的韧性，因此利用该工艺获得的形变诱导铁素体组织不但强度高，且韧性好。
图1和图2分别为形变诱导铁素体相变及退火态（供货态）放大500倍的金相组织，从图中看到，图2的主要组织为粗大的层片状珠光体及形状不规则的铁素体，铁素体组织非常粗大。图1为形变诱导铁素体的相变组织，主要由均匀细小的铁素体与珠光体及少量的马氏体组成。晶粒细化是唯一提高强度和韧性的方法，利用该工艺获得形变诱导组织既保证了较高的强度，还具有良好的韧性。

Claims (5)

1.低碳合金钢快速获得细小铁素体晶粒的热处理方法，其特征在于包括如下步骤：
a、将退火态的低碳合金钢加热到950～1000℃，保温20～40分钟；
b、利用锻打的方式对步骤a处理后的低碳合金钢进行热形变处理，控制压缩比不小于3；
c、将热形变处理后的低碳合金钢放置在空气中静置30～50秒，然后放到冷却水中充分冷却。
2.根据权利要求1所述的低碳合金钢快速获得细小铁素体晶粒的热处理方法，其特征在于：步骤a中低碳合金钢加热到950～1000℃后的保温时间为25～35分钟。
3.根据权利要求1所述的低碳合金钢快速获得细小铁素体晶粒的热处理方法，其特征在于：步骤b中控制压缩比在3～4之间。
4.根据权利要求1所述的低碳合金钢快速获得细小铁素体晶粒的热处理方法，其特征在于：步骤c中低碳合金钢在空气中进行静置的时间为35～45秒。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的低碳合金钢快速获得细小铁素体晶粒的热处理方法，其特征在于：步骤c中所述冷却水为流动状态的冷却水。
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